SU754595A1 - Вентильный электродвигатель 1 - Google Patents

Description

Изобретение относится к области специальных электрических машин и может быть использовано при разработке высоконадежных быстроходных электроприводов с большим сроком службы, особенно при автономном питании от химических или лучистых источников энергии.

Известны вентильные электродвигатели (ВД), состоящие из синхронной электрической машины с вращающимся индуктором, бесконтактных ключей и датчика положения ротора электрической машины. Каждый из указанных электродвигателей содержит четное число бесконтактных ключей, подключающих секции якорной обмотки к источнику постоянного напряжения или тока в функции сигналов датчика положения ротора [1] и [2].

Однако управление силовыми транзисторами осуществляется выпрямленным напряжением с выхода чувствительных элементов (дросселей или трансформаторов насыщения) датчика положения ротора, непосредственно или через вспомогательные усилители. При таком построении схемы устройства, во-первых, требуется датчик положения ротора, формирующий на своих выходах сиг2

налы с крутыми передними и задними фронтами, для уменьшения длительности невыгодного с точки зрения энергетики, режима работы, когда силовые транзисторы переходят из закрытого состояния в открытое и наобо₅ рот. Во-первых, ротор датчика изготовляется из постоянного магнита, обеспечивающего полное насыщение сердечника чувствительного элемента (дросселя или трансформатора) при нахождении последнего под одним из полюсов постоянного магнита. В ю целом конструкция датчика положения ротора существенно усложняется.

Кроме того в электрической схеме электродвигателей содержится значительное количество (не менее 5) вспомогательных вторичных источников питания, что также усложняет все устройство.

Наиболее близким к предлагаемому является бесконтактный электродвигатель, содержащий индуктор, якорь с обмоткой, секции которой соединены с выходом коммута20 тора, управляющие цепи каждой пары ключей которого соединены с выходом асинхронного К 5-триггера, со схемами совпадения в цепи каждого из входов, входы каждого триггера соединены с выходом пары чувстви754595

тельных элементов, выполненных в виде дросселей насыщения, подключенных к выходу преобразователя постоянного напряжения в переменное напряжение повышенной частоты и расположенных под 180 эл.град. через формирователи сигналов датчика,

Амплитудно-модулированные высокочастотные сигналы с выхода каждой пары чувствительных элементов подаются на вход диодного детектора, где выделяются огибающие сигналов, которые затем фильтруются и подаются на вход формирователя управляющих импульсов, формирователь преобразует «гладкую» составляющую модулированного по амплитуде выходного сигнала датчика положения ротора в однополярные прямоугольные сигналы, с помощью которых управляются бесконтактные ключи полупроводникового коммутатора. Роль формирователя выполняет статический триггер [3].

Наличие триггера в канале управления позволяет устранить некоторые недостатки, однако схема связи чувствительных элементов датчика положения ротора со входами статического триггера выполнена нерационально.

Устройство связи, включающее в себя два дросселя насыщения, диодный детектор, два К-С-фильтра, выполнено с отдельными изолированным источником переменного напряжения в каждом канале управления и не имеет непосредственной связи с общей точкой схемы формирователя и полупроводникового коммутатора, что снижает его помехозащищенность, тем более, что соединительные провода между датчиком положения ротора и полупроводниковой схемой управления могут быть весьма протяженными. Наличие в схеме устройства связи диодного детектора, во-первых, снижает чувствительность датчика положения ротора, за счет потери части полезного сигнала на диодах детектора, во-вторых, габариты дросселей насыщения датчика положения ротора получаются завышенными вследствие потерь полезного сигнала и подмагничивания сердечников дросселей током нагрузки детектора при однополупериодном выпрямлении, имеющим место в схеме. КС-фильтр вносит фазовый сдвиг при сглаживании напряжения на выходе детектора, что снижает точность срабатывания бесконтактных ключей коммутатора при работе бесконтактного электродвигателя с переменной частотой вращения.

Цель изобретения — повышение энергетических показателей помехозащищенности и уменьшение габаритов ВД за счет уменьшения габаритов датчика положения ротора.

Эта цель достигается тем, что ВД снабжен дополнительным формирователем импульсов и схемами совпадения в количестве, равном числу чувствительных элементов датчика положения ротора, причем вход формирователя импульсов соединен с выходом

преобразователя повышенной частоты, выход — с одним из входов каждой схемы совпадения, второй вход каждой из кото рых соединен с выходом одного из формирователей сигналов датчика, а выход — с одним из входов триггера. Кроме того, каждый формирователь сигналов датчика выполнен, например в виде транзистора, к переходу база-эмиттер которого подключай чувствительный элемент датчика.

На фиг. 1 изображена схема четырехсекционного бесконтактного электродвигателя; на фиг. 2 и 3 представлены временные диаграммы напряжений на основных элементах устройства, поясняющие процесс насыщения дросселя и процесс переключения КЗ-триггеров (Т ι — период частоты переменного напряжения на выходе преобразователя 1, Та— период частоты переменного напряжения на выходе преобразователя 1).

Вентильный электродвигатель содержит преобразователь 1 постоянного напряжения, например в переменное высокой частоты (около 50 кГц), формирователь 2 импульсов, синхронизированных с положительной полуволной переменного напряжения на обмотках дросселей, резисторы 3—6, транзисторы 7 и 8 проводимости п-р-п, датчик 9 положения ротора бесконтактного электродвигателя, состоящий из обоймы 10, секторообразного постоянного магнита 11 и дросселей 12—15 насыщения, схемы 16 и 17 совпадения 2И—НЕ, асинхронный КЗ-триггер 18, бесконтактные ключи 19 и 20, синхронная электрическая машина 21 с четырехсекционной якорной обмоткой Αι, А г, В_{, В г и индуктором 22 на роторе, источник 23 постоянного напряжения, идентичные каналы 24 и 25 управления.

На временных диаграммах (см. фиг. 2 и 3) представлены Н ι — напряжение на выходе преобразователя 1; Щ4— напряжение на обмотке дросселя насыщения 14; Ц₈ — напряжение на коллекторном выводе транзистора 8; и ι — напряжение на выходе формирователя единичных импульсов; и₎₆, ϋ ι ? — напряжение на выходе схем совпадения 16 и 17; и и, и 18 — напряжения на прямом (Ц,₈) и _инверсном (Ц ₍₈) выходах триггера 18; Ц_в, и_ч — напряжения на прямом (Ц_ч) и инверсном (Ц_в) выходах триггера в канале управления 25; Т * — период частоты переменного напряжения на выходе преобразователя 1; Т₈ — период частоты вращения поля индуктора электродвигателя.

Управление секциями якорной обмотки, относящимися к одной фазе, но работающими в противофазе, например А| и А& осуществляется от одного канала 24 управления бесконтактными ключами 19 и 20 включенными по нулевой схеме. В принципе бесконтактные ключи могут быть включены по

754595

5

мостовой схеме при необходимости реверсивного управления секцией якорной обмотки. Электрическая машина 21 выполнена с четырехсекционной якорной обмогкой на статоре и вращающимся индуктором. Полупроводниковая схема устройства содержит два идентичных канала 24 и 25 управления. В канале 24 управления осуществляется преобразование высокочастотных импульсов с выхода датчика положения ротора 9 в однополярные сигналы для периодического открывания бесконтактных ключей 19 и 20 в функции углового положения ротора электродвигателя. Для этого дроссели 12 и 14 насыщения датчика положения ротора подключены параллельно переходу база-эмиттер транзисторов 7 и 8. Коллекторный вывод каждого упомянутого транзистора подключен к одному из входов двухвходовых элементов 16 и 17 совпадения,выходы которых, в свою очередь, подключены ко входам асинхронного КЗ-триггера 18. На вторые входы элементов 16 и 17 совпадения подключен выход формирователя 2 единичных импульсов, представляющего собой однокаскадный ключевой усилитель, выполненный на транзисторе проводимости п-р-п. Для синхронизации работы формирователя на его вход подается переменное напряжение с выхода преобразователя 1. Со второго выхода преобразователя 1 переменное напряжение подается через резисторы 3 и 4 на дроссели 12 и 14 насыщения. При этом напряжения, подаваемые на вход формирователя 2 и на дроссели.насыщения, находятся в противофазе.

Датчик 9 положения ротора имеет простую конструкцию, состоящую из неподвижной диэлектрической обоймы с дросселями насыщения 12—15 и жесткосочлененного с ротором электродвигателя постоянного магнита 11 секторообразной формы. Число секторов постоянного магнита равно числу пар полюсов (Р) индуктора 22 электрической машины 21. Ширина сектора магнита выбрана равной 360/2Р геометрических градусов из условия надежного пуска электродвигателя при любом исходном положении ротора. Допускается уменьшение ширины сектора магнита на 10— 15/2Р геометрических градусов, связанное с явлением «выпучивания» магнитных силовых линий постоянного магнита, а также неточностью его изготовления. Дроссели насыщения размещены в диэлектрической обойме по окружности на дуге длиной (360/Р—360/Рп) геометрических градусов через 360/Рп геометрических градусов, где п — число дросселей насыщения. Конструктивно дроссель насыщения представляет собой миниатюрное ферритовое кольцо с обмоткой. Поле постоянного магнита датчика положения ротора пронизывает один или два дросселя в диаметральном направлении его сердечника.

Работа бесконтактного электродвигателя происходит следующим образом. В исходном состоянии ротор электрической машины занимает произвольное положение и сочлененный с ним постоянный магнит датчика положения ротора насыщает два соседних дросселя, например 12 и 13. При подаче постоянного напряжения от источника 23 питания преобразователь 1 начинает преобразовывать постоянное напряжение в переменное прямоугольной формы с частотой порядка 50 кГц. Переменное напряжение с обмотки выходного трансформатора преобразователя поступает на вход транзистора, входящего в состав формирователя 2. Под действием этого напряжения транзистор периодически, с частотой преобразователя 1, открывается и закрывается, формируя импульсы прямоугольной формы на коллекторном выводе (единичные импульсы синфазные с положительной полуволной переменного напряжения). Так как дроссель 12 насыщен, то переход «база-эмиттер» транзистора 7 оказывается зашунтированным омическим сопротивлением дросселя, которое на несколько порядков меньше сопротивления резистора 3. Все переменное напряжение с выхода преобразователя падает на резисторе 3 и транзистор 7 надежно закрыт. С коллекторного вывода транзистора 7 постоянное напряжение подается на вход элемента 16 совпадения. На вторые входы всех элементов совпадения, входящие в оба канала 24 к 25 управления, подаются единичные импульсы с выхода формирователя 2. В момент совпадения единичных сигналов на входах элемента 16 на его выходе формируются импульсы с нулевым уровнем напряжения (нулевые импульсы), которые, присутствуя на 5входе триггера 18, устанавливают его в единичное состояние (на выходе ζΐ-триггера — единичный сигнал, а на выходе ζ) — нулевой сигнал). На Е-входе триггера 18 присутствует единичный сигнал, так как дроссель 14 ненасыщен: индуктивное сопротивление его велико и переменное напряжение с выхода преобразователя подается на вход транзистора 8 через резистор 4. Транзистор периодически с частотой преобразователя открывается, формируя на коллекторном выводе единичные импульсы. Единичные импульсы с выходов транзистора 8 и формирователя 2 поступают на входы элемента 17 совпадения, и находясь в противофазе, на выходе элемента 17, и следовательно, на Е-входе триггера постоянно присутствует единичный сигнал. Напряжением с выхода <3 триггера 18 непосредственно или через вспомогательную схему совпадения (на фиг. 1 обозначена пунктирной линией) открывается бесконтактный ключ 19, который подключает секцию А( якорной обмотки к источнику 23 питания. То же самое происходит в канале 25 управления и по секциям А«, В< якорной обмотки начинает протекать ток. При

754595

взаимодействии тока в секциях обмоток с полем индуктора, возникает вращающий момент и ротор электродвигателя приходит в движение. По мере вращения ротора электродвигателя дроссель 12 выходит из зоны действия постоянного магнита датчика. Изменение степени насыщения дросселя полом магнита происходит постепенно, особенно при медленном вращении ротора электродвигателя. Пока поток постоянного магнита, пронизывающий сердечник дросселя, превосходит по величине поток насыщения Φ§ι, дроссель не может перемагничиваться под действием переменного напряжения и представляет собой воздушный реактор с незначительным активно-индуктивным сопротивлением. Как только величина потока постоянного магнита станет по величине меньше потока насыщения, дроссель начинает перемагничиваться под действием переменного напряжения. Длительность перемагничивания пропорциональна степени размагничивания сердечника и определяется известным соотношением + ф_э

I υάί =3 \νά φ

о Φ»

где νζ — число витков обмотки дросселя;

Φι—величина потока постоянного магнита, пронизывающего сердечник дросселя;

и — мгновенное значение приложенного к обмотке дросселя переменного напряжения.

В положительный полупериод переменного напряжения в течение длительности перемагничивания дросселя 12 открывается транзистор 7, формируя на коллекторном выводе импульс с нулевым уровнем напряжения (нулевой импульс), в момент насыщения дросселя 12 транзистор 7 закрывается и сохраняет это состояние в отрицательный полупериод переменного напряжения, когда происходит аналогичное перемагничивание дросселя и его последующее насыщение. В течение перемагничивания дросселя 12 под действием напряжения отрицательной полярности это напряжение прикладывается к базовому выводу транзистора 7 и способствует эффективному запиранию последнего. Нулевые импульсы с выхода транзистора 7, поступая на вход элемента 16 совпадения, увеличивают пропорционально своей длительности, длительность единичных импульсов на его выходе. Далее, по мере вращения ротора электродвигателя, поток постоянного магнита уменьшается настолько, что в течение положительной полуволны переменного напряжения насыщения дросселя 12 не происходит. Нулевые импульсы на выходе транзистора 7 сравниваются с единичными по длительности. Поступая на первый вход элемента совпадения 16, они оказываются в противофазе с импульсами на втором входе и в результате не приводят к изменению единичного состояния на его

8

- \

выходе. На входах К и 5 триггера теперь

постоянно присутствуют единичные сигналы

и он сохраняет свое прежнее состояние.

Дальнейший поворот электродвигателя приводит к подмагничиванию дросселя 14. Когда разность между значениями потока Ф₅постоянного магнита Φι пронизывающего сердечник станет меньше переменной составляющей потока, вызванной приложенным к дросселю переменным напряжением, дроссель начнет насыщаться в течение положительной полуволны переменного напряжения. Моменту насыщения дросселя 14 соответствует переход транзистора 8 из открытого состояния в закрытое, которое сохраняется при отрицательной полуволне переменного напряжения. Ширина единичных импульсов на выходе транзистора 8 пропорционально увеличится и на выходе элемента 17 совпадения появляются нулевые импульсы. Первый из этих импульсов переводит триггер 18 в новое устойчивое состояние. Остальные импульсы, расширяющиеся по длительности по мере дальнейшего насыщения дросселя (поворота ротора электродвигателя) , только подтверждают это новое устойчивое состояние триггера, устраняя ложную работу устройства при случайном появлении импульса возможной помехи.

Переключение триггера ведет к переключению бесконтактных ключей и, соответственно секций якорной обмотки. Секция Αι отключается от источника питания, а секция А г подключается к источнику питания.

Дальнейший поворот ротора электродвигателя идет при взаимодействии тока в секциях А г, В ι обмотки с полем индуктора и приводит к выходу из насыщения дросселя 13, а затем к насыщению дросселя 15. Процесс выхода из насыщенного состояния дросселя 13 и насыщения дросселя 15 происходит аналогично вышеописанному, с той лишь разницей, что при насыщении дросселя 15 переключается триггер в канале 25 управления с последующим переключением секций В), В ι якорной обмотки. Далее насыщается дроссель 12 и переключается триггер 18, коммутируя бесконтактные ключи 19 и 20 и, соответственно, секции якорной обмотки. При насыщении дросселя 13 происходит коммутаций секций В ι, В ι якорной обмотки и на этом заканчивается цикл переключения секций якорной обмотки. В дальнейшем циклы повторяются с частотой вращения поля индуктора.

В данном ВД может быть реализован экономичный режим работы бесконтактных ключей, при котором в любой момент времени открыт только один бесконтактный ключ, и соответственно, под током находится только одна секция якорной обмотки. Для этого устройство дополняется вспомогательными элементами совпадения, по од754595

9

1Ό

ных электродвигателей малой мощности, в

которых затраты на изготовление датчика

положения ротора и самой электрической

машины становятся соизмеримыми.

ному на каждом входе бесконтактного ключа. Путем соответствующего подключения входов элементов совпадения к выходам триггеров достигается работа с наличием единичного сигнала на выходе только одного из элементов совпадения. Продолжительность открытого состояния каждого бесконтактного ключа составляет одну четверть периода частоты вращения индуктора.

ВД выполнен с одной общей точкой для всей электрической схемы. Такое построение принципиальной схемы устройства способствует повышению помехозащищенности цепей управления, а также открывает возможность объединения общих узлов (преобразователя напряжения, формирователя) при построении системы многодвигательного электропривода, с целью·'ее упрощения.

Подключение дросселя насыщения параллельно переходу база-эмиттер транзистора позволяет снизить рабочее напряжение на его обмотке до величины (0,8—2/В). При таком значении рабочего напряжения минимальные габариты дросселя ограничиваются лишь трудностями технологии их производства. Тенденция к уменьшению габаритов дросселей насыщения связана со стремлением к повышению точности срабатывания датчика положения ротора при минимальных его габаритах.

Датчик положения ротора бесконтактного электродвигателя имеет высокую чувствительность к магнитному полю постоянного магнита, так как для переключения триггера в канале управления достаточно лишь подмагничить соответствующий дроссель насыщения на величину, равную разности между потоком насыщения и максимальным значением потока в сердечнике дросселя при Перемагничивании его переменным напряжением. Кроме того, в устройстве связи дросселей с триггером отсутствуют пассивные элементы, понижающие чувствительность любого устройства.

ВД имеет простую конструкцию датчика положения ротора с высокими показателями чувствительности и точности. Датчик положения ротора является наиболее ответственным узлом устройства, определяющим как энергетические, так и экономические показатели всего бесконтактного электродвигателя. Наибольший экономический эффект изобретение даст при производстве бесконтакт-

Claims (2)

1. Формула изобретения

   1. Вентильный электродвигатель, содержащий индуктор, якорь с обмоткой, секции которой соединены с выходом коммутатора, управляющие цепи каждой пары ключей которого соединены с выходом асинхронного Κ-5-триггера, со схемами совпадения в цепи каждого из входов, входы каждого триггера соединены с выходом пары чувствительных элементов датчика положения ротора, выполненных в виде дросселей насыщения, подключенных к выходу преобразователя постоянного напряжения в переменное напряжение повышенной частоты и расположенных под 180 эл.град., через формирователи сигналов датчика, отличающийся тем, что, с целью повышения энергетических показателей помехозащищенности, и снижения габаритов, он снабжен дополнительным формирователем импульсов и схемами совпадения в количестве, равном числу чувствительных элементов, причем вход формирователя импульсов соединен с выходом преобразователя повышенной частоты, выход —

   с одним из входов каждой схемы совпадения, второй вход каждой из которых соединен с выходом одного из формирователей сигналов датчика, а выход — с одним из входов триггера.
2. 2. Электродвигатель по π. 1, отличающийся тем, что каждый формирователь сигналов датчика выполнен в виде транзистора, к переходу база-эмиттер которого подключен чувствительный элемент датчика.